一種單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關(guān)功率放大器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三電平開關(guān)功率放大器，適用于機電系統(tǒng)中需要高頻小信號注入 實現(xiàn)無傳感器運行的場合，例如適宜于自傳感主動電磁軸承。
【背景技術(shù)】
[0002] 主動電磁軸承具有無摩擦、無需潤滑、無污染、轉(zhuǎn)速高等優(yōu)點，近年來在航空航天、 飛輪儲能、渦輪透平機械、高速機床等領(lǐng)域發(fā)展很快。在有傳感器主動電磁軸承系統(tǒng)中，為 了實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制，必須在轉(zhuǎn)子的各個自由度分別裝配獨立的位移傳感器進行轉(zhuǎn) 子位置信號的實時檢測。位移傳感器的昂貴價格使得系統(tǒng)的成本難以降低，也增加了裝配、 維護的成本。此外，安裝位移傳感器所需的空間要求制約了電磁軸承尺寸的優(yōu)化，傳感器和 執(zhí)行器的位置不同也使得控制更為復雜。
[0003] 自傳感主動電磁軸承是近年來為解決上述問題而提出的新型電磁軸承。通過利用 電磁軸承的電磁線圈的電感大小隨轉(zhuǎn)子位置改變而變化的特性，可以使得電磁線圈本身產(chǎn) 生電磁力的同時實現(xiàn)位置傳感器的功能，從而避免獨立位置傳感器的使用，實現(xiàn)主動電磁 軸承的自傳感運行。目前實現(xiàn)自傳感主動電磁軸承的主要方法可分為電流斜率法和高頻小 信號注入法。其中，電流斜率法的動態(tài)特性好，但對系統(tǒng)硬件要求高且易受電流噪聲影響。 高頻小信號注入法的精度高、可靠性好但需要額外的高頻小信號源，利用傳統(tǒng)的兩電平PWM 開關(guān)功放輸出電流紋波中幅值相對較高的一次諧波分量可替代高頻小信號源，但其整體高 紋波特性會在電磁軸承中產(chǎn)生較大的損耗，且一次諧波的幅值不夠穩(wěn)定。傳統(tǒng)三電平PWM 開關(guān)功放輸出的紋波含量顯著低于兩電平開關(guān)功放，但紋波中各諧波分量的幅值均達不到 實現(xiàn)主動電磁軸承自傳感運行的技術(shù)要求，故傳統(tǒng)的兩電平PWM開關(guān)功放和傳統(tǒng)的三電平 PWM開關(guān)功放均不能用于自傳感主動電磁軸承。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關(guān)功率放大器，以克服現(xiàn) 有技術(shù)的全部或部分缺陷。
[0005] 本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思是：在保持功放輸出整體低紋波特性的同時，通過單獨提高功 放輸出紋波中二次諧波分量的幅值，產(chǎn)生可用于主動電磁軸承等機電系統(tǒng)的自傳感運行的 高頻小信號源。從而在降低系統(tǒng)損耗的同時實現(xiàn)磁軸承的自傳感運行，進一步提高系統(tǒng)的 性能、降低系統(tǒng)成本。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是：本發(fā)明單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電 平開關(guān)功率放大器包括控制器、光耦隔離及驅(qū)動電路、功率變換電路和電流檢測電路，功率 變換電路包括H橋電路；所述控制器能夠用于將外部電流給定信號和來自電流檢測電路的 電流反饋信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的開關(guān)邏輯信號，所述電流反饋信號與電流檢測電路檢測到的電 磁線圈負載的實際電流值成正比；光耦隔離及驅(qū)動電路的輸入端與控制器的輸出端對應(yīng)連 接，能夠用于將來自控制器的各路開關(guān)邏輯信號隔離放大，從而形成用于驅(qū)動所述H橋電 路的各全控型開關(guān)器件的驅(qū)動信號；所述H橋電路的各全控型開關(guān)器件的控制端與光耦隔 離及驅(qū)動電路的輸出端對應(yīng)連接。
[0007] 進一步地，本發(fā)明所述驅(qū)動信號對各所述H橋電路的第一個橋臂上的全控型開關(guān) 器件以可變脈沖寬度的方式進行調(diào)制，所述驅(qū)動信號對第二個橋臂上的全控型開關(guān)器件以 固定脈沖寬度的方式進行調(diào)制；第二個橋臂上的全控型開關(guān)器件完成一個導通、關(guān)斷動作 的時間周期是第一個橋臂上的全控型開關(guān)器件完成一個導通、關(guān)斷動作的時間周期的一 半。
[0008] 進一步地，本發(fā)明所述控制器為DSP、FGPA數(shù)字控制器或者為能夠?qū)崿F(xiàn)響應(yīng)功能 的模擬電路。
[0009] 進一步地，本發(fā)明所述控制器包括電流控制模塊、PffM信號產(chǎn)生模塊、上升沿觸發(fā) 模塊、方波產(chǎn)生模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊，所述A/D轉(zhuǎn)換模塊用于接收外部電流給定信號和電流 反饋信號，A/D轉(zhuǎn)換模塊的輸出端與電流控制模塊的輸入端相連，電流控制模塊的輸出端與 PWM信號產(chǎn)生模塊的輸入端相連，上升沿觸發(fā)模塊的輸入端與PWM信號產(chǎn)生模塊的其中一 個輸出端相連，上升沿觸發(fā)模塊的輸出端與方波產(chǎn)生模塊的輸入端相連，方波產(chǎn)生模塊的 每個輸出端和PWM信號產(chǎn)生模塊的每個輸出端各與光親隔離及驅(qū)動電路的一個輸入端連 接。
[0010] 進一步地，本發(fā)明所述電流控制模塊使用比例積分控制算法。
[0011] 進一步地，本發(fā)明所述電流檢測電路包括電流傳感器和電平轉(zhuǎn)換電路，電流傳感 器的原邊與所述電磁線圈負載串聯(lián)，電流傳感器的副邊與電平轉(zhuǎn)換電路的輸入端連接，電 平轉(zhuǎn)換電路的輸出端與控制器的輸入端連接。
[0012] 進一步地，本發(fā)明還包括緩沖電路，所述光耦隔離及驅(qū)動電路的輸入端經(jīng)緩沖電 路與控制器的輸出端對應(yīng)連接。
[0013] 本發(fā)明單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關(guān)功率放大器（以下也可以簡稱為"功放"） 與傳統(tǒng)的兩電平開關(guān)功率放大器相比，其優(yōu)點在于：通過使用不同開關(guān)頻率、不同形式的驅(qū) 動信號控制功放中的H橋電路的不同橋臂上的全控型開關(guān)器件的導通、關(guān)斷，選擇性提高 了功放輸出紋波中的二次諧波分量的幅值，在形成類似于兩電平功放輸出中的高頻小信號 源的同時，也實現(xiàn)了功放三電平運行以降低功放輸出整體紋波含量，進而降低了損耗；此 外，H橋電路中的一個橋臂始終由兩倍頻方波形式的開關(guān)邏輯信號控制，保證了高頻小信號 的穩(wěn)定輸出，而高頻小信號的頻率提高了一倍，遠離功放輸出中控制電流分量所在的頻域， 也有利于信號的提取和處理。本發(fā)明功放與傳統(tǒng)三電平開關(guān)功率放大器相比的優(yōu)點在于： 在功放內(nèi)部集成了高頻小信號源，利于簡化自傳感主動電磁軸承等機電系統(tǒng)的復雜度，提 高可靠性。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發(fā)明的單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關(guān)功率放大器的電路原理框圖；
[0015] 圖2為緩沖電路和光耦隔離及驅(qū)動電路的電路原理圖；
[0016] 圖3為功率變換電路和電流檢測電路的電路原理圖；
[0017] 圖4為本發(fā)明中的控制器輸出的開關(guān)邏輯信號和功放輸出的電壓電流波形示意 圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明單側(cè)橋臂倍頻驅(qū)動的三電平開關(guān)功率放大器主要包括控制器1、光耦隔離 及驅(qū)動路3、功率變換電路4和電流檢測電路5，功率變換電路4包括H橋電路4-1。其中， 控制器1能夠用于將外部電流給定信號和來自電流檢測電路5的電流反饋信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng) 的開關(guān)邏輯信號，電流反饋信號與電流檢測電路5檢測到的電磁線圈負載的實際電流值成 正比。光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸入端與控制器1的輸出端對應(yīng)連接，用于將來自控制器1 的各路開關(guān)邏輯信號隔離放大，從而形成用于驅(qū)動H橋電路4-1的各全控型開關(guān)器件的驅(qū) 動信號；H橋電路4-1的各全控型開關(guān)器件的控制端與光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸出端對 應(yīng)連接。
[0019] 本發(fā)明還可進一步包括緩沖電路2,使光耦隔離及驅(qū)動電路3的輸入端經(jīng)緩沖電 路2與控制器1的輸出端對應(yīng)連接，從而提高控制器1所輸出的開關(guān)邏輯信號的穩(wěn)定性。
[0020] 在本發(fā)明中，外部電流給定信號是指來自上一級控制設(shè)備的決定功放需要輸出的 電流值的參考信號；電磁線圈負載是指機電設(shè)備中的用于產(chǎn)生電磁力的繞組線圈，如電磁 軸承定子繞組線圈。
[0021] 以下結(jié)合附圖，以具體的實施例對本發(fā)明作進一步描